(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向して配置される第１の表面側と第２の表面側とを有する電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、
アノードとカソードとからなる少なくとも１つの電極対と、
ポリマーマトリックスと、を備え、
前記高分子膜構造に電圧が印加されると凸部と凹部とを有する触覚的におよび／または光学的に認識可能な構造を前記第１の表面側に形成可能な大きさの構造粒子であって、かつ、前記ポリマーマトリックスの厚さに応じた大きさの構造粒子が前記ポリマーマトリックス内に含有され、
前記ポリマーマトリックスおよび／または前記構造粒子が、電気活性高分子から構成され、
前記第１および／または第２表面側が、前記電気活性高分子の電気的切り替えにより、平滑状態から構造化状態に変換される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
【請求項２】
請求項１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、
前記電気活性高分子が、電場活性またはイオン性電気活性高分子である、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
【請求項３】
請求項１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、
前記平滑状態において、１０μｍ以上で１ｍｍ以下の厚さを有する、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
【請求項４】
請求項１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、
前記構造粒子の直径は、前記高分子膜構造の厚さの５０〜９０％である、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
【請求項５】
請求項１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、
前記アノードおよび前記カソードが、前記ポリマーマトリックスの相互に対向する表面上に配置され、
前記高分子膜構造の一方の表面側が柔軟性カバー電極として構成され、
他方の表面側が剛性ベース電極として構成される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
【請求項６】
請求項１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、
複数のアノードと複数のカソードとが、前記ポリマーマトリックスの相互に対向する表面上に配置され、
前記電極が、前記高分子膜構造の一方の表面側または両方の表面側上に構造化状態で配置される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
【請求項７】
請求項１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、
前記ポリマーマトリックスが、電気活性高分子から構成され、
前記構造粒子が、セラミック硬質材料粒子を除く、非導電性硬質材料粒子である、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
【請求項８】
請求項７に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、
前記非導電性硬質材料粒子が、ガラスから形成されるか、または、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートまたはポリウレタンからなる群の少なくとも１つから選択される非導電性高分子材料から形成される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
【請求項９】
請求項６に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、
前記ポリマーマトリックスが、イオン性電気活性高分子から構成される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
【請求項１０】
請求項１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、
前記構造粒子が、電気活性高分子から構成され、
前記ポリマーマトリックスが、エラストマーから形成される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
【請求項１１】
請求項１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、
前記第１の表面側または第２の表面側が、基板上に形成され、
他方の表面側が、前記電気活性高分子の電気的切り替えにより、構造化状態に変換される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
【請求項１２】
電気的に切り替え可能な表面被覆であって、
請求項１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造を備える、電気的に切り替え可能な表面被覆。
【請求項１３】
請求項１１に記載の電気的に切り替え可能な表面被覆の使用であって、
自己洗浄表面被覆、自己凍結防止表面被覆、および／または、流体の流れ挙動に影響を与えるものとしての電気的に切り替え可能な表面被覆の使用。
【請求項１４】
請求項１１に記載の電気的に切り替え可能な表面被膜の使用であって、
触覚信号、音響信号、および／または、光信号を生成するための電気的に切り替え可能な表面被覆の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的に切り替え可能な高分子膜構造に関し、高分子膜構造の第１の表面側および／または第２の表面側は、電気活性高分子の電気的切り替えにより、平滑状態（電圧印加前の状態）から構造化状態（電圧印加後の状態）に能動的に変換される。本発明は、さらに、このような電気的に切り替え可能な高分子膜構造の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
能動的に表面構造に影響を与える能力は、触覚的変化や光学特性変化や流体の流れ挙動への影響等、さまざまな用途において、大きな技術的関心を集めている。高分子および高分子複合体は、軽量で力学特性を調節可能等、有利で制御可能な特性を備えているため、すでに多様な商業的用途で用いられている。機能性高分子は、センサーやアクチュエータの用途で能動部品としての重要性が広がりつつある。このような状況において、近年、電気活性高分子（ＥＡＰ：electroactive polyer, elektroaktiven polyere）群が研究の焦点となってきている。
【０００３】
特許明細書US 2008/0128027 A1およびWO2008/105861A2には、表面に沿った流体の流れを制御するために、表面を変形させるシステムおよび方法が記載されている。このようにすれば、たとえば、乱流を防ぐことができ、あるいは、共鳴振動を発生させたり消失させたりできる。アクチュエータとして、とりわけ微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：microelectromechanical systems, mikroelektromechanishe systeme）、圧電トランスデューサー、電気活性高分子、磁気または油圧アクチュエータについて説明されている。アクチュエータは、表面に垂直に作用し、制御システムにより制御される。
【０００４】
形状記憶ワイヤおよび／または圧電素子から形成される複数のアクチュエータ素子を備える平面アクチュエータがEP 1 090 835 A1に提案されている。このような平面アクチュエータを用いて、表面に沿った流れに意図的に影響を与えることができる。アクチュエータの長さと達成可能な偏位との間の比が小さく、かつ、ワイヤが表面と平行な配置であるにもかかわらず、小変形が得られ、この小変形は、異方的に硬化させた弾性平坦構造により増幅される。さらに、アクチュエータによる変形を増大させるために、アクチュエータ素子の活性方向における溝またはスリットによる表面構造化も提案されている。
【０００５】
DE 100 26 264 A1には、車両外皮の可動構成が開示されている。外皮に、狭い間隔で非常に多数の小さな円筒形状の電気的に動作可能なアクチュエータを埋め込むことにより、初期状態ではアクチュエータの表面が外皮と同一平面を形成するように伸長し、切り替えによりピンプル構造（突起構造。Noppenstruktur）を形成する。このピンプル構造は、所定速度を上回る空気抵抗を低減し、風切音を抑制することを目的としている。あるいは、このピンプル構造は、外皮から氷や雪を取り除くために用いられる。この目的を達成するために、高分子および／またはイオン交換体が、電気的過程により、あるいは、ｐＨ、含水率または温度を変化させることにより形状変化を生じるアクチュエータ素子の材料として提案されている。
【０００６】
表面構造を生成する他の方法が、WO2005/079187 A2に記載されている。この方法は、板状電極間の静電気引力を利用するものである。電圧が印加されると、電極間に存在する誘電エラストマーに、互いに引き付け合う電極により力が加えられる。電極間でエラストマーが押し出されることにより、この領域で表面が押圧される。電極の外側で、変位された高分子が押しつぶされて、表面から外へ押し出される。この工程により、凹部と凸部とが生じて、所定の電極配置と相互接続により特定の表面構造化をもたらす。３次元ディスプレー、特に点字ディスプレー、翼上の流れに影響を与える可動鏡、ステッピングモーターおよびポンプが用途として言及されている。
【０００７】
米国特許第7,397,166B1には、高分子−金属複合体から形成されるアクチュエータの電圧印加による変形を利用した蠕動ポンプが記載されている。可撓性チューブの長手方向に沿って互いに離れて電極を配置することにより、電極の連続的な切り替えによりチューブ内部で多量の液体を輸送することができる。人体内における液状製剤の輸送が用途の一例として言及されている。
【０００８】
EP 1 843 406 A1は、電気活性高分子を含むアクチュエータを開示する。このポリマーマトリックスには、（セラミック）粒子が含有されている。この粒子を用いて、ポリマーマトリックスの誘電率εを増大させる。EP 1 843 406 A1に開示されるアクチュエータは、表面の粗さを調節可能である。（セラミック）粒子は、個々の体積、大きさ、強度、形状、および／または粗さによって表面の粗さに影響を与える範囲で、物理的／機械的な影響をもたらさない。
【０００９】
電気活性高分子（ＥＡＰ：electroactive polymers, elektroaktiven polymere）は、原則として２つの大きなグループに分類できる。第１のグループは、いわゆる電場活性高分子である。電場活性ＥＡＰは、一般的には、電場をかけることにより直接切り替え可能なポリマー、ポリマー混合物および高分子複合体である。電場活性ＥＡＰは、最大２００Ｖ・μｍ-1の電場を必要とする。電場活性ＥＡＰは、一般にミリ秒単位の速度で切り替えが可能という利点を有する。電場活性高分子には、誘電エラストマー、強誘電体ポリマー、圧電ポリマーおよび電歪ポリマーが含まれる。
【００１０】
ＥＡＰの第２のグループは、いわゆるイオン性電気活性高分子である。このグループは、イオンおよび／または溶媒和イオンおよび／または溶媒分子の拡散を伴う作用機構に基づくという点に特徴がある。イオン性ＥＡＰに含まれる高分子材料の例としては、可動イオンを含有するポリマーまたは高分子複合体、導電性ポリマー、イオン性ゲル、およびカーボンナノチューブおよび／またはグラフェンとの高分子複合体が挙げられる。
【００１１】
さまざまな電気活性高分子（ＥＡＰ）の基本的な種類および作用機構に関しては、特に、MRS Bulletin、２００８年３月、３３巻、Ｎｏ．３の論文およびそこで引用されている文献に記載されている。
【００１２】
イオン性ＥＡＰは、通常、電解質等の液体媒体に結合されているため、多くの場合、温度や相対湿度等の環境条件に左右される。何も措置を講じなければ、イオン性ＥＡＰは、時間と共に空気中で乾燥し、ＥＡＰとしての機能が失われる。したがって、環境条件への依存を減らしたＥＡＰシステムに関心がもたれている。１つの可能性は、ポリマーマトリックス中でイオン性液体（ionic liquid: IL）を電解質溶液として用いることにより、ポリマーマトリックスとイオン性液体とからなる系全体を固形物とすることである。ＩＬは、室温で溶融状態で存在する有機塩であり、蒸気圧が無視できるほど低いため、イオン性ＥＡＰの乾燥と機能喪失とを防ぐことができる。
【００１３】
機能性高分子および高分子膜構造の、センサーやアクチュエータシステム等への実用化や表面や表面特性に対する能動的な影響に関心が高まっている。
【発明の概要】
【００１４】
したがって、本発明は、互いに対向して配置される第１の表面側と第２の表面側とを有する電気的に切り替え可能な高分子膜構造を提供する。高分子膜構造は、アノードとカソードとからなる少なくとも１つの電極対と、ポリマーマトリックスと、ポリマーマトリックス内に含有される構造粒子と、を備える。
【００１５】
本発明では、構造粒子を含有することが望ましい場合もあるが、構造粒子を含有しない実施形態が望ましい場合もある。
【００１６】
ポリマーマトリックスおよび／または必要に応じて備えられる構造粒子は、電気活性高分子から構成される。電気活性高分子の電気的切り替えにより、第１および／第２表面側が、平滑状態から構造化状態に変換可能である。
【００１７】
言い換えると、本発明の高分子膜構造に電圧を印加することにより、凸部と凹部とを備える構造化面を、少なくとも１つの表面側に能動的に形成可能である。高分子膜構造の少なくとも１つの表面側へのこのような構造化は、可逆的であり、電気的な切り替えを行なうことにより繰り返し引き起こすことができる。本発明において、ポリマーマトリックスは、高分子膜として構成される。
【００１８】
多くの用途で、本発明の高分子膜構造の能動的に影響を与える表面側を用いて、触覚的に認知可能な信号を生成し、電気的な切り替えにより能動的な粗面形成を行なうことができる。また、他の利点として、本発明の高分子膜構造の電気的切り替えにより、光学的な効果を発揮させることもできる。たとえば、高分子膜構造が、切り替え前の平滑状態では透明であり、電圧を印加すると不透明になるようにしてもよい。
【００１９】
同様に、本発明の他の実施形態において、高分子膜構造が、電気活性高分子（ＥＡＰ）として、電場活性高分子またはイオン性電気活性高分子を含有するものでもよい。
【００２０】
たとえば、電場活性高分子は、誘電エラストマー、強誘電体ポリマー、圧電ポリマーおよび電歪ポリマーから選択可能である。
【００２１】
本発明の強誘電体ポリマーおよび電歪ポリマーとして、たとえば、ポリ（フッ化ビニリデン）（ＰＶＤＦ：poly vinylidene fluoride, poly vinylidenfluorid）や、ＶＤＦとトリフルオロエチレンとの共重合体等のＶＤＦ共重合体を用いることができる。本発明の誘電エラストマーとしては、たとえば、シリコーン、ポリウレタン、ポリアクリル酸塩、ゴム、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ：styrene-ethylene-butylene-styrene, styrole-ethylen-butylen-styrol）またはスチレン−ブタジエンゴムが挙げられる。
【００２２】
本発明のイオン性電気活性高分子は、可動イオンを含有するポリマー、導電性ポリマー、イオン性ゲル、およびカーボンナノチューブおよび／またはグラフェンとの高分子複合体から選択可能である。
【００２３】
イオン性ゲルの例としては、ジメチルスルホキシドを含有するポリ（ビニルアルコール）ゲルが挙げられる。本発明で利用可能な導電性ポリマーとしては、たとえば、ポリピロール、ポリアニリンおよびポリチオフェンが挙げられる。
【００２４】
好適なＥＡＰ材料およびその作用機構は原則として周知であり、たとえば、MRS Bulletin、２００８年３月、３３巻、Ｎｏ．３、１７３〜１８１ページのY. Bar-Cohen、Q. Zhangによる論文およびそこで引用されている文献に記載されている。
【００２５】
ＥＡＰに関する多くの他の選択肢は、本発明の切り替え可能な高分子構造の基本的な特性を調整可能なものであり、特定の用途に対して特別に適用可能である。本発明の高分子膜構造の第１の表面側および／または第２の表面側における切り替えおよび表面構造化を好適に実施可能である。
【００２６】
本発明の高分子膜構造は、少なくとも１つの電極対と、ポリマーマトリックスと、必用に応じて、ポリマーマトリックス内に含有される構造粒子と、を備え、電圧を印加しない切り替え前の平滑状態で、厚さが１０μｍ以上で１ｍｍ以下、望ましくは５０μｍ以上で５００μｍ以下、特に望ましくは１００μｍ以上で３００μｍ以下である。高分子膜構造の特に望ましい厚さは、個別に選択された１つまたは複数のＥＡＰに関して、および、所望の用途に関して、ポリマーマトリックスに具体的に用いられる材料および粒子に具体的に用いられる材料の関数として、選択可能である。構造粒子が存在する場合には、その直径が、高分子膜構造の厚さの５０％〜９０％であり、望ましくは、高分子膜構造の厚さの７０〜８０％である。
【００２７】
本発明において、さまざまなパラメータが構造化の具現化に影響を与える可能性がある。このようなパラメータの例としては、印加される電場の強度、電極の大きさ、形状ならびに構造粒子の粒径ならびに体積分率、およびポリマーマトリックスの厚さが挙げられる。
【００２８】
本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造の他の構成において、電極、すなわち、アノードおよびカソードを、ポリマーマトリックスの互いに反対の面に配置して、高分子膜構造の一方の表面側を柔軟性カバー電極として構成し、他方の表面側を剛性ベース電極として構成するものでもよい。言い換えると、この構成の高分子構造は、平坦構造の底部ベース電極と、底部ベース電極上に付着されて内部に構造粒子を含有するポリマーマトリックス膜と、ポリマーマトリックス上に付着される平坦な柔軟性カバー電極と、からなる層構造として提供される。この場合、ベース電極とカバー電極の厚さは、互いに独立で、１０ｎｍ〜１００μｍであり、望ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。
【００２９】
本発明におけるカバー電極は、電気活性高分子の切り替えにより構造化状態に変換可能な高分子膜構造の表面側に配置される電極を意味する。その一方、本発明におけるベース電極は、電気的切り替えにより構造化されない高分子膜構造の表面側に配置される電極を意味する。本発明の高分子膜構造において、陽極と陰極の両方の電極を同時にベース電極としてもよい。
【００３０】
本発明の説明において、「上部」、「底部（下部）」、「下方」および「上方」という用語は、互いに相対的な構成要素の位置を示すものに過ぎず、互いに置き換え可能な場合もある。
【００３１】
本発明において、柔軟性カバー電極は、特にポリマーマトリックスの表面上に、電気活性高分子の切り替えによる形状変化と構造化とを再現可能に構成される電極を意味する。このように、適当な電圧が印加されると、カバー電極は、高分子膜構造の外側に向いた構造化表面側を形成する。
【００３２】
電極、すなわち、カバー電極とベース電極のいずれも、当業者に周知の導電材料から形成されるものでもよい。本発明において、たとえば、金属、金属合金、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール等の導電性オリゴマーまたはポリマー、ＩＴＯのような混合酸化物等の導電性酸化物、導電性充填剤で充填されたポリマー等を導電材料として用いることができる。導電性充填剤で充填されたポリマーの充填剤として、たとえば、金属や、カーボンブラックやカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等の導電性カーボン系の材料や、導電性オリゴマーまたはポリマーを用いることができる。ポリマーの充填剤含有量は、浸透限界以上であるため、導電性充填剤は連続的な導電性パスを形成できる。
【００３３】
電極は、周知の方法により製造可能であり、たとえば、表面金属化や、作成済みの導電層上へのスパッタリング、蒸着、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理的気相成長法（ＰＶＤ）、印刷、ドクターブレード法、スピンコーティング、接着または圧着や、導電性プラスチックのスプレー電極等の方法が挙げられる。
【００３４】
本発明の高分子膜構造の他の実施形態において、ポリマーマトリックスの互いに反対側の表面上に電極を配置し、高分子膜構造の１つの表面側または両方の表面側に電極を構造化して配置するようにしてもよい。さらに、ポリマーマトリックスを、この構成の高分子膜構造における電極間の高分子膜として配置するようにしてもよい。本発明の電極構造化は、電極のいずれか一方または両方が高分子膜構造の各表面側に規則的または不規則的なパターンを形成することを意味する。たとえば、電極をストリップ（帯状）電極やグリッド（格子状）電極として構成してもよい。この場合、電極をポリマーマトリックスの表面上に形成するようにしてもよいし、少なくとも部分的にポリマーマトリックスに組み込むようにしてもよい。あるいは、電極全体をポリマーマトリックスに組み込むようにしてもよい。またあるいは、電極間に配置されるポリマーマトリックスの表面と電極とが、同一平面を形成して、少なくとも切り替え前の状態で、高分子膜構造の平滑な表面側を形成するようにしてもよい。
【００３５】
本発明の高分子膜構造の他の構成において、電極を第１または第２の表面側にベース電極として構造化した形で配置するようにしてもよい。本発明のこの形態では、アノードとカソードとが、高分子膜構造の同じ表面側に配置される。この構成で、電極から離れた他方の表面側は、ポリマーマトリックスにより形成される。この構成においても、電極をポリマーマトリックスの表面上に形成するようにしてもよいし、少なくとも部分的にポリマーマトリックスに組み込むようにしてもよい。あるいは、電極全体をポリマーマトリックスに組み込むようにしてもよい。またあるいは、電極間に配置されるポリマーマトリックスの表面と電極とが、同一平面を形成して、少なくとも切り替え前の状態で、高分子膜構造の平滑な表面側を形成するようにしてもよい。電極表面とポリマーマトリックス表面とから形成される平滑な表面側を基板上に形成するようにしてもよい。
【００３６】
本発明のこの実施形態でも、ベース電極の構造化は、アノードとカソードとが高分子膜構造の２つの表面側の一方に規則的または不規則的なパターンを形成することを意味する。たとえば、１つの表面側に形成する場合、アノードとカソードとを交互に配置するようにしてもよい。直接的にこのような配置を実現する方法として、互いに入り込んで係合し合う、いわゆる「櫛形電極」を用いる方法がある。同じように分極した個々の電極は、同時に切り替え可能という利点がある。
【００３７】
高分子膜構造の１つの表面側にベース電極として構造化した形で電極を配置する場合、別の実施形態として、ポリマーマトリックス内に構造粒子を含有させることなく、ポリマーマトリックスをイオン性電気活性高分子で形成するようにしてもよい。この実施形態では、望ましくは、ポリマーマトリックスが、可動イオンを含有するエラストマーから形成される。言い換えると、本発明のこの実施形態において、電気的に切り替え可能な高分子膜構造の高分子膜は、イオンを含有する高分子複合体から形成され、このイオンを含有する高分子複合体内では、少なくとも一種類のイオン、陰イオンまたは陽イオンが自由に移動可能である。イオンは、たとえば、イオン性液体の形態でエラストマーマトリックスに導入されるものでもよい。電圧を印加すると、可動イオンが対応する電極に移動する。ポリマーマトリックス内で一種類のイオンだけが移動可能か、あるいは、両方の種類のイオン（陰イオン、陽イオン）が移動可能かに応じて、印加された電場によるイオン拡散の結果として、二種類の電極（アノード、カソード）の一方の周りの領域が膨らみ、表面側に電極構造を再現することができる。電極間の領域にはイオンがほとんど存在しなくなり、体積収縮が生じ、対応する電極周りの凸部との差が増大する。このようにして、高分子膜構造の構造化表面側を簡単に形成することができる。この場合のベース電極の厚さは、１０ｎｍ〜９００μｍであり、望ましくは、１００ｎｍ〜５００μｍ、特に望ましくは、１μｍ〜２００μｍである。
【００３８】
本発明の別の実施形態において、ポリマーマトリックスが電気活性高分子から形成され、構造粒子がセラミック硬質材料粒子を除く非導電性の硬質材料粒子から形成される。特に望ましくは、非導電性の硬質材料粒子は、ガラスまたは非導電性高分子材料から形成される。本発明の硬質材料粒子は、電気的な切り替えの際にその形状および大きさを保持する粒子を意味する。ガラス、および、ポリエチレン（ＰＥ：polyethylene, polyethylen）、ポリプロピレン（ＰＰ：polypropylene, polypropylen）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：polyvinyl chloride, polyvinylchlorid）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ：polymethyl methacrylate, polymethylmethacrylat）、ポリカーボネート（ＰＣ：polycarbonate, polycarbonat）またはポリウレタン（ＰＵ：polyurethane, polyurethan）等の非導電性高分子材料は、非常に安価であるため、特に望ましい。高分子膜構造の電気的切り替えの際に、粒子のサイズ、形状および分布は、柔軟性カバー電極を有する表面側に転写可能である。たとえば、平坦な構成の剛性ベース電極と平坦な構成の柔軟性カバー電極とを備え、誘電エラストマーから形成される電気活性ポリマーマトリックスが両電極間に配置される実施形態では、電圧を印加すると、ポリマーマトリックスが押圧される一方、粒子はその形状を保持する。カバー電極を有する表面側上の凸部により、粒子の形状と分布とが再現される。この場合のベース電極とカバー電極との厚さは、互いに独立で、１０ｎｍ〜１００μｍ、望ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。
【００３９】
本発明のまた別の実施形態において、構造粒子が電気活性高分子から形成され、ポリマーマトリックスがエラストマーから形成される。切り替え可能な構造粒子は、電気的切り替えの際に可逆的な形状および／または体積変化を生じる粒子である。この特性により、粒子は、その形状および分布を、たとえば、弾性ポリマーマトリックスおよび場合によっては柔軟性カバー電極に転写可能であり、構造化表面側が形成される。この形態の利点は、実際の高分子膜は、高分子膜構造の電気的な切り替えの際に構造粒子の形状変化を受けることができるように、その剛性のみを調整すればよいという点である。したがって、光沢、摩耗強度、長期的安定性や加工性等の他の特性に関して、特定の技術的用途に適合するような周知の被覆をポリマーマトリックスに施すことができる。
【００４０】
構造化した形で配置されるベース電極を用いる本発明の別の実施形態において、電気活性高分子で形成される切り替え可能な粒子は、一方の電極の近傍で膨らみ、その形状を変化させるものでもよい。一方、逆に分極した電極上の粒子は、変化しない、または、収縮する。粒子の大きさおよび直径は、ポリマーマトリックスの厚さに応じたものであるため、電気的切り替えによる粒子の形状および／または体積変化がベース電極とは反対の表面側に転写され、その結果生じる凸部は、電極構造と粒子分布とを反映したものとなる。この場合のベース電極に厚さは１０ｎｍ〜９００μｍ、望ましくは１００ｎｍ〜５００μｍ、特に望ましくは１μｍ〜２００μｍである。
【００４１】
電気活性高分子から形成される構造粒子、すなわち、切り替え可能な粒子、を用いる本発明の実施形態において、粒子が電極のいずれか一方に接するようにしてもよい。この場合、言い換えると、個々の粒子が、電子交換可能に、電極と電気的に接続されるものでもよい。この場合、１つの電極が複数の粒子に接触するものでもよい。
【００４２】
本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造は、自立高分子膜構造として形成されるものでもよい。
【００４３】
本発明の他の好適な構成において、電気的に切り替え可能な高分子膜構造の第１の表面側または第２の表面側を基板上に形成し、他方の表面側を電気活性高分子の電気的切り替えにより構造化するものでもよい。基板を、高分子膜構造の支持体としてもよい。さらに、基板を、本発明の高分子膜構造が表面被覆として形成された物体としてもよい。
【００４４】
本発明は、互いに対向して配置される第１の表面側と第２の表面側とを有する電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、アノードとカソードとからなる少なくとも１つの電極対と、ポリマーマトリックスと、を備え、必要に応じて、構造粒子がポリマーマトリックス内に含有され、ポリマーマトリックスおよび／または必要に応じて備えられる構造粒子が、電気活性高分子から構成され、第１および／または第２表面側が、電気活性高分子の電気的切り替えにより、平滑状態から構造化状態に変換される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造を提供する。
【００４５】
本発明は、また、互いに対向して配置される第１の表面側と第２の表面側とを有する電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、アノードとカソードとからなる少なくとも１つの電極対と、構造粒子が含有されたポリマーマトリックスと、を備え、構造粒子が非導電性硬質材料粒子であってポリマーマトリックスが電気活性高分子から形成され、あるいは、構造粒子が電気活性高分子から形成され、電気活性高分子の電気的切り替えにより第１の表面側および／または第２の表面側が平滑状態から構造化状態に変換される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造を提供する。
【００４６】
本発明は、さらに、互いに対向して配置される第１の表面側と第２の表面側とを有する電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、アノードとカソードとからなる少なくとも１つの電極対と、電気活性高分子からなるポリマーマトリックスと、を備え、電気活性高分子の電気的切り替えにより第１の表面側および／または第２の表面側が平滑状態から構造化状態に変換され、アノードとカソードがベース電極として構成され、第１の表面側または第２の表面側に構造化した形で配置される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造を提供する。
【００４７】
本発明は、また、本発明の高分子膜構造の使用に関する。特に、本発明は、上述した本発明のさまざまな実施形態における電気的に切り替え可能な高分子膜を備える電気的に切り替え可能な表面被覆を提供する。この表面被覆を、車体や船体等の物体に適用するようにしてもよい。本発明の表面被覆は、高分子膜構造の電気的な切り替え性により能動的な影響を受けるものでもよい。このような能動的な影響は、静的に生じるものでもよいし、異なる頻度で生じるものでもよい。
【００４８】
本発明は、さらに、触覚信号、音響信号および／または光信号を生成する電気的に切り替え可能な表面被覆の使用に関する。これは、平滑面と粗面との間の切り替えなど、触覚的変化を伴うのでもよい。この効果を、たとえば、表面の自己洗浄や表面の凍結防止、船体の防汚表面等に利用することができる。また、本発明の高分子膜構造を切り替えることにより、光学的特性に影響を与えて、たとえば、透明な表面と不透明な表面とを切り替えることも可能である。
【００４９】
さらに、このような触覚および光学的効果を、たとえば、コンテクスト駆動メニュー管理等のマン・マシン・インターフェースに利用するようにしてもよい。
【００５０】
本発明は、さらに、流体の流れ挙動に影響を与えることが可能である。たとえば、本発明を用いて、乱流を防いだり、流れ抵抗を減少させることができる。
【００５１】
本発明は、数多くの異なる態様で実現可能である。
【００５２】
本発明を、図面を参照して、好適な実施形態に従って説明するが、本発明は何らこれらの実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１ａ】切り替え可能な電気活性ポリマーマトリックスとその内部に含有された硬質材料粒子とを備える、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造の概略断面図。
【図１ｂ】切り替え可能な電気活性ポリマーマトリックスとその内部に含有された硬質材料粒子とを備える、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造の概略断面図。
【図２ａ】エラストマーマトリックス内に含有された切り替え可能な構造粒子を備える、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造の概略断面図。
【図２ｂ】エラストマーマトリックス内に含有された切り替え可能な構造粒子を備える、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造の概略断面図。
【図３ａ】エラストマーマトリックス内に含有された切り替え可能な構造粒子と構造化した形で形成された電極とを備える、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造の概略断面図。
【図３ｂ】エラストマーマトリックス内に含有された切り替え可能な構造粒子と構造化した形で形成された電極とを備える、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造の概略断面図。
【図４ａ】構造化した形で形成された電極とエラストマーマトリックス内で自由に移動可能な陰イオンと陽イオンとを備える、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造の概略断面図。
【図４ｂ】構造化した形で形成された電極とエラストマーマトリックス内で自由に移動可能な陰イオンと陽イオンとを備える、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造の概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
以下に示す実施形態の図において、それぞれ、「ａ」は電圧を印加する前の高分子膜構造を示し、「ｂ」は電圧を印加した後の対応する高分子膜構造を示す。図１ａおよび図１ｂは、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造１を示し、高分子膜構造１は、平面電極３と４との間に埋め込まれた切り替え可能なポリマーマトリックス２を備える。ポリマーマトリックス２は、たとえば、シリコーンエラストマー、ポリウレタンエラストマー、ポリアクリル酸塩エラストマー、ゴム等の誘電エラストマーから形成されるものでもよい。さらに、非導電性硬質材料粒子５がポリマーマトリックス内に構造粒子として含有されるものでもよい。単に分かりやすくするために、３つの粒子５のみを図示している。粒子５は、たとえば、ガラス，炭化ケイ素、セラミックまたは非導電性硬質高分子から形成されるものでもよい。図示される実施形態では、電極３は柔軟性カバー電極３として構成され、電極４は基板６上に配置されるベース電極として構成される。図１ａに示すように、粒子５は、電場が印加されていない状態でポリマーマトリックス２とカバー電極４とが平滑面を持つような大きさを備える。言い換えると、高分子膜構造１は、第１の平滑な表面側を備える。図１ｂに示すように、電圧が印加されると、電極３と４との間で誘電エラストマーが押圧される一方、硬質粒子５はその形状を保つ。本発明において、粒子５は、高分子膜構造１に電圧が印加されると凸部７と凹部８とを有する触覚的におよび／または光学的に認識可能な構造を第１の表面側に形成可能な大きさであって、かつ、ポリマーマトリックス２の厚さに応じた大きさを備える。本発明において、認識可能な構造形成は、少なくともそれを検出可能であることを意味する。検出は、たとえば、回折や屈折等の光学的方法で行われるものでもよい。表面構造の大きさおよび形状は、ポリマーマトリックス２に用いた高分子材料の選択や印加される電場によって、硬質粒子５の大きさ、形状および分布に応じて変動可能に調節される。
【００５５】
図２ａおよび図２ｂは、弾性ポリマーマトリックス２内に切り替え可能な粒子５を有する、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造１の概略断面図を示す。図示される実施形態では、電極３は柔軟性カバー電極３として構成され、電極４は基板６上に配置されるベース電極として構成される。粒子５は、たとえば、イオン性ＥＡＰまたは電場活性ＥＡＰから形成され、電圧が電極３および４に印加されると形状および／または体積変化をするようなものでもよい。粒子５は、高分子構造１において電極３および４のいずれか一方に接するものでもよい。この場合、粒子５は、電圧が印加されると、ポリマーマトリックス２を越えて粒子の形状および分布が柔軟性カバー電極３により再現されて、凸部７と凹部８とを有する表面構造が生成されるような大きさに構成される。この好適な構成の利点は、切り替え可能な粒子５の形状変化を受けて、これを柔軟性カバー電極３に伝えることができるように、高分子膜２をその剛性に関してのみ調整すればよい点である。したがって、光沢、摩耗強度、長期的安定性や加工性等の他の特性に関して、特定の技術的用途に適合するような周知の被覆をこのようなポリマーマトリックス２に施すことができる。別の実施形態において、エラストマーマトリックス２が、粒子５に加えて、可動イオン、陰イオン、および／または陽イオンを含有するものでもよい。切り替え工程の際に、これらの可動イオンがポリマーマトリックス２から粒子５に拡散したり、粒子５から外に拡散したりすることにより、粒子５の形状および／または体積が変化する。
【００５６】
図３ａおよび図３ｂは、弾性マトリックス２内に切り替え可能な構造粒子５を備え、ベース電極３および４が構造化した形で配置される、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造１の概略断面図を示す。電極３および４は、交互に配置される。電極３および４を、共に分極させた互いに入り込む櫛形電極として構成してもよい。この形態では、電極３および４は、ポリマーマトリックス２内に組み込まれ、１つの表面側でポリマーマトリックス２と同一平面を形成する。この表面側は、基板６上に配置される。切り替え可能な粒子５は、望ましくは、イオン性ＥＡＰから形成される。粒子５は、高分子構造１において電極３および４のいずれか一方に接するものでもよい。分かりやすくするために、各電極３または４当たり１つの粒子５だけを図示している。切り替え工程の際に、一方の電極３上の粒子５が膨らむ一方で、逆に分極された電極上の粒子５は、ほとんど変化しないか収縮する。粒子５の大きさは、ポリマーマトリックス２の厚さに応じたものであるため、電気的切り替えによる粒子５の形状および／または体積変化が、電極３および４とは反対の表面側に転写される。その結果生じる凸部７および凹部８は、電極構造と粒子５の分布とを反映したものとなる。別の実施形態において、エラストマーマトリックス２が、粒子５に加えて、可動イオン、陰イオン、および／または陽イオンを含有するものでもよい。切り替え工程の際に、これらの可動イオンがポリマーマトリックス２から粒子５に拡散したり、粒子５から外に拡散したりすることにより、粒子５の形状および／または体積が変化する。
【００５７】
図４ａおよび図４ｂは、ベース電極３および４が構造化した形で配置され、エラストマーマトリックス２に自由に移動可能な陰イオン９および陽イオン１０を含有した、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造１の概略断面図を示す。ポリマーマトリックス２は、基板６の１つの表面側に形成される。本発明のこの実施形態の電気的に切り替え可能な高分子膜構造１において、ポリマーマトリックス２とイオン９および１０とを備える高分子膜は、少なくとも一種類のイオンが自由に移動可能なイオン含有高分子複合体から形成されるものでもよい。電圧が印加されると、自由に移動可能なイオンが対応する電極に移動する。一種類のイオンだけがポリマーマトリックス２内で移動可能か、あるいは、図４ａおよび図４ｂに示すように、陰イオン９と陽イオン１０とがポリマーマトリックス２内で移動可能かに応じて、印加された電場によるイオン拡散の結果として、２つの電極３および４のいずれか一方の周囲の領域が膨らみ、表面側に電極構造を再現することができる。電極３および４の間の領域にはイオンがほとんど存在しなくなり、体積収縮が生じて表面側に凹部８が形成され、対応する電極３および４周りの凸部７との差が増大する。このようにして、構造化表面側を簡単に形成することができる。本発明のこのような構成は、たとえば、イオン性液体を高分子膜を形成するポリウレタン（ＰＵＲ：polyurethane, polyurethan）マトリックス材料内に混合することにより製造可能である。本発明を、さらに、以下の実施例を参照して説明するが、本発明は、何らこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例
【００５８】
実施例１：構造化ベース電極を備える電気的に切り替え可能な高分子膜構造の製造
イソシアン酸塩として８２〜９９重量％のDesmodur（登録商標）E15（Bayer MatrialScience AG）と架橋剤として１重量％のトリエタノールアミン（ＴＥＡ：triethanolamine, triethanolamin）とからなるポリウレタン（ＰＵＲ）製剤を用いた。イオン性液体との混合性を高めるために、０〜１７重量％のポリエチレングリコール（ＰＥＧ６００）を加えて、成分の合計を１００重量％とした。この反応製剤に、イオン性液体（ＩＬ）として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム・ビス（トリフルオロメチルスルホニル）−イミドを１：１の混合比で加え攪拌して、ドクターブレード法により、基板上に櫛型電極を形成した。互いに入り込む銅導電体トラックを０．２５ｍｍ〜４ｍｍの規則的な電極間隔で配置することにより、電極をエポキシ基板（ＦＲ４）上に形成した。エポキシ基板上の導電性銅電極の高さは７０μｍであった。反応性高分子混合物を最大６０℃の温度で硬化させた。この結果、厚さ１５０μｍで平滑面を有する透明で均一な膜が得られた。約１０ｃｍ×１０ｃｍの大きさのサンプルの電流−電圧特性を２Ｖの電圧で測定した。２Ｖの電圧を印加すると、顕著な電流ピークが記録された後、電流は一定の残留電流まで低下した。電圧をオフにすると、大きな電流が最初に逆方向に流れ、その後、漸近的に０Ａまで戻った。イオン性液体のイオンとポリウレタンマトリックスの電気化学電位未満に印加電圧が維持されるため、電気分解が生じない、すなわち、化学反応が生じない。電圧印加により誘導されるＰＵＲマトリックスへのイオン移動が秒単位で生じ、これは、可逆的に切り替え可能であった。本発明の高分子膜構造の表面側から反射されるレーザービームの変位により、ＰＵＲ膜内部のイオン移動による本発明の高分子膜構造における表面構造の切り替えが観測できた。
【００５９】
実施例２
さらなる実験で、ISO-Elektra GmbHからISO-PUR A776の名称で「自己回復ゲル」として市販されている2Kポリウレタンをポリマーマトリックスとして用いた。実施例１と同様に、このポリマーマトリックスを、イオン性液体としてのメチルエチル・イミダゾリウム−オクチル硫酸塩と１：１の重量比で混合した。実施例１に記載したように、互いに入り込むベース電極が載置された基板上に、この混合物からなる膜を形成して、電場をかけた。この非常に柔らかなPUR-IL複合体に２Ｖの電圧を印加した場合、実施例１で説明したPUR製剤と比較して、本発明の高分子膜構造の表面側から反射されるレーザービームの変位はもっと大きく変動した。このことから、本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造の表面構造が、相対的により大きく変化したと推定できる。
【００６０】
要するに、本発明は、表面構造および表面被覆を能動的に切り替えて影響を与えることができる電気的に切り替え可能な高分子膜構造を提供する。
【００６１】
本発明の電気的に切り替え可能な高分子膜構造の特性をさまざまに調整することにより、特定の用途のさまざまな要件に適合させることができる。
適用例１：互いに対向して配置される第１の表面側と第２の表面側とを有する電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、アノードとカソードとからなる少なくとも１つの電極対と、ポリマーマトリックスと、を備え、必要に応じて、構造粒子が前記ポリマーマトリックス内に含有され、前記ポリマーマトリックスおよび／または必要に応じて備えられる前記構造粒子が、電気活性高分子から構成され、前記第１および／または第２表面側が、前記電気活性高分子の電気的切り替えにより、平滑状態から構造化状態に変換される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
適用例２：適用例１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、前記電気活性高分子が、電場活性またはイオン性電気活性高分子である、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
適用例３：適用例１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、前記平滑状態において、１０μｍ以上で１ｍｍ以下の厚さを有する、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
適用例４：適用例１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、前記構造粒子の直径は、前記高分子膜構造の厚さの５０〜９０％である、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
適用例５：適用例１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、前記アノードおよび前記カソードが、前記ポリマーマトリックスの相互に対向する表面上に配置され、前記高分子膜構造の一方の表面側が柔軟性カバー電極として構成され、他方の表面側が剛性ベース電極として構成される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
適用例６：適用例１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、複数のアノードと複数のカソードとが、前記ポリマーマトリックスの相互に対向する表面上に配置され、前記電極が、前記高分子膜構造の一方の表面側または両方の表面側上に構造化状態で配置される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
適用例７：適用例１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、前記ポリマーマトリックスが、電気活性高分子から構成され、前記構造粒子が、セラミック硬質材料粒子を除く、非導電性硬質材料粒子である、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
適用例８：適用例１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、前記硬質材料粒子が、ガラスから形成されるか、または、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートまたはポリウレタンからなる群の少なくとも１つから選択される非導電性高分子材料から形成される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
適用例９：適用例６に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、前記ポリマーマトリックスが、イオン性電気活性高分子から構成され、前記ポリマーマトリックス内には構造粒子が含有されない、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
適用例１０：適用例１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、前記構造粒子が、電気活性高分子から構成され、前記ポリマーマトリックスが、エラストマーから形成される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
適用例１１：適用例１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造であって、前記第１の表面側または第２の表面側が、基板上に形成され、他方の表面側が、前記電気活性高分子の電気的切り替えにより、構造化状態に変換される、電気的に切り替え可能な高分子膜構造。
適用例１２：電気的に切り替え可能な表面被覆であって、適用例１に記載の電気的に切り替え可能な高分子膜構造を備える、電気的に切り替え可能な表面被覆。
適用例１３：適用例１１に記載の電気的に切り替え可能な表面被覆の使用であって、自己洗浄表面被覆、自己凍結防止表面被覆、および／または、流体の流れ挙動に影響を与えるものとしての電気的に切り替え可能な表面被覆の使用。
適用例１４：適用例１１に記載の電気的に切り替え可能な表面被膜の使用であって、触覚信号、音響信号、および／または、光信号を生成するための電気的に切り替え可能な表面被覆の使用。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
0005668050.tif 000006
【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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